Controllable unidirectional magnetoresistance in ferromagnetic films with broken symmetry

凝聚态物理 铁磁性 磁电阻 材料科学 磁化 能斯特效应 双层 能斯特方程 物理 电极 磁场 生物 遗传学 量子力学
作者
Shun Wang,Xiaotian Cui,Ronghuan Xie,Changwen Zhang,Yufeng Tian,Lihui Bai,Qikun Huang,Qiang Cao,Shishen Yan
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (9) 被引量:3
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.094410
摘要

Spin-related unidirectional magnetoresistance (UMR) exhibits nonreciprocal transport to either charge current or magnetization reversal, providing a potential application for direct electrical readout of in-plane magnetization using simple two-terminal geometry. To achieve such a UMR, it is usually believed that an adjacent heavy metal or other materials with strong spin-orbit coupling (SOC) as the spin polarizer is indispensable, leading to most efforts on multilayer structures rather than single-layer ferromagnetic films. Here, we report the observation of UMR in a single CoPt film by introducing a vertical composition gradient to break the structural inversion symmetry. Moreover, unlike conventional heavy-metal/ferromagnetic-metal bilayer films, the UMR in the CoPt film with a positive Co composition gradient is controllable as a function of current amplitude, which shows the decrease, sign reversal, and then enhancement with the increment of current density. These results reveal two competing UMR mechanisms with opposite signs in electrical current dependency, i.e., bulk Rashba effect induced by composition gradients and anomalous Nernst effect driven by a vertical temperature gradient. Our work provides a promising way to manipulate the UMR in a single ferromagnetic film with the combination of charge-spin conversion and magnetothermal effect.
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